高大鋼拱臨時(shí)支架的設(shè)計(jì)實(shí)例

文｜廣東省建筑工程機(jī)械施工有限公司 吳子超

1 工程概況

海鳴橋工程位于珠海市十字門(mén)中央商務(wù)區(qū)橫琴片區(qū)，橋梁采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，鋼拱拉索裝飾造型。鋼拱為兩上下交叉布置的焊接鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋線(xiàn)型為變截面的樣條曲線(xiàn)，拱肋受力截面為倒梯形四邊形，加裝飾鋼板形成五邊形結(jié)構(gòu)。拱肋最大高度（不含裝飾鋼板）達(dá)45.381m，兩拱腳的中心距離達(dá)98.24m；拱肋截面高1.8m~3.003m（不含裝飾板）、寬2.5m~4.455m。

2 鋼拱分段

由于鋼拱的尺寸巨大，綜合考慮結(jié)構(gòu)合理性、預(yù)制廠(chǎng)生產(chǎn)能力、運(yùn)輸線(xiàn)路與車(chē)載能力、吊裝環(huán)境與吊裝能力等多方面的因素，決定將每拱分成左右對(duì)稱(chēng)的9個(gè)節(jié)段制作。文中將上拱稱(chēng)為A拱，將下拱稱(chēng)為B拱，鋼拱分段見(jiàn)圖2，鋼拱分段詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)圖1。吊裝順序?yàn)椋鹤笥?節(jié)段→左右2節(jié)段→左右3節(jié)段→454節(jié)段。在拼裝過(guò)程中，由于鋼拱未形成完整的自穩(wěn)定體系，所以必須對(duì)已完成部分鋼拱進(jìn)行臨時(shí)支架。

圖1 鋼拱分段及臨時(shí)支架示意圖

3 臨時(shí)支架的構(gòu)造及布置

臨時(shí)支架在工廠(chǎng)初步拼裝，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體拼裝，在工廠(chǎng)制作部分采用焊接連接，現(xiàn)場(chǎng)拼裝部分采用螺栓連接。

臨時(shí)支架按拱肋分段安裝設(shè)置，支撐在A(yíng)2、A3、B2、B3段鋼拱上端。每個(gè)鋼拱臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)分為高、矮兩個(gè)塔型，其中A2段支架高21596mm，A3段支架高35169mm，B2段支架高20448mm，B3段支架高29821mm，各支架結(jié)構(gòu)形式相同，長(zhǎng)×寬尺寸均為4230mm×2600mm，每座支架底部設(shè)置4條斜撐，斜撐占地面積6823mm×8453mm。所用材料：

結(jié)構(gòu)中每層交叉桿件均為：雙拼普通槽鋼12.6。

結(jié)構(gòu)中主豎桿均為：熱軋無(wú)縫鋼管325×7.5mm。

底部斜撐均為：雙拼普通槽鋼14a。

塔中每層橫桿均為：普通槽鋼14a。

高塔側(cè)連桿、高塔與矮塔橫向連桿及頂部斜連桿均為：熱軋無(wú)縫鋼管245×7mm

矮塔與混凝土拱腳斜連桿為：熱軋無(wú)縫鋼管245×7mm。

4 臨時(shí)支架的驗(yàn)算

根據(jù)臨時(shí)支架位置、尺寸、材料等采用同濟(jì)大學(xué)3D3S軟件進(jìn)行建模計(jì)算。設(shè)計(jì)荷載為拱肋的自重，風(fēng)荷載設(shè)定為12級(jí)。由于A(yíng)拱和B拱的臨時(shí)支架采用了相同的結(jié)構(gòu)，且A拱各階段的尺寸和重量均大于B拱，因此當(dāng)A拱臨時(shí)支架滿(mǎn)足承載力和穩(wěn)定性要求，B拱臨時(shí)支架必定滿(mǎn)足承載力和穩(wěn)定性要求。僅需對(duì)A拱的兩個(gè)塔型進(jìn)行驗(yàn)算。

由于臨時(shí)支架的地基為中風(fēng)化花崗巖，巖層穩(wěn)定，基巖上澆筑50cm厚C25混凝土作為臨時(shí)支架基礎(chǔ)，因此不考慮臨時(shí)支架基礎(chǔ)的沉降。支架及斜撐底部視為固結(jié)。

4.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖 (圓表示支座，數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號(hào))

4.2 A2段臨時(shí)支架驗(yàn)算

4.2.1 荷載信息

（一）節(jié)點(diǎn)荷載信息

A2段鋼拱重為：42.7t，長(zhǎng)度為16.4m。

計(jì)算A2段臨時(shí)支架點(diǎn)B處合荷載F。

鋼拱和臨時(shí)支架的尺寸、角度可由設(shè)計(jì)圖得到：

A2段拱下端A到支架點(diǎn)B長(zhǎng)度AB為15.86m，C點(diǎn)為長(zhǎng)度中心，距離A為3.84m。由于鋼拱越往下截面越大，以長(zhǎng)度中心作為重力作用點(diǎn)是偏安全的。

對(duì)A點(diǎn)取矩：

42.7t×3.84=F×15.86

F=10.33t

分解F，得出X、Z方向分力：

Fx=sin60°×10.33=8.9t

Fz=cos60°×10.33=5.2t

∴Fx方向作用力為89KN

Fz方向作用力為52KN

（二）風(fēng)荷載信息

按12級(jí)風(fēng)力的驗(yàn)算

橫向風(fēng)壓計(jì)算：

W=K1×K2×K3×K4×Wo，Wo=V2/1600。

風(fēng)速：V=40m/s；

基本風(fēng)壓：1.00KN/m2；

設(shè)計(jì)風(fēng)速平率：K1=1.0；

結(jié)構(gòu)體形系數(shù)：K2=1.3；

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：K3=1.0；

地形地理系數(shù)：K4=1.0；

12級(jí)風(fēng)壓系數(shù)：W=1.3 KN/m2；

風(fēng)荷載受荷面積簡(jiǎn)化為弧，上表面面積：S=3×6.2=18.6m2

12級(jí)風(fēng)荷載：F=W×S=18.6×1.3=24.2KN，平均分配在4個(gè)側(cè)面節(jié)點(diǎn)上，分布點(diǎn)荷載約為6.1KN。（僅考慮12級(jí)風(fēng)狀態(tài)下最不利荷載的穩(wěn)定性）。

（三）荷載組合

(1) 1.35 恒載 + 1.10 風(fēng)載工況1

4.2.2 內(nèi)力位移計(jì)算結(jié)果

（一）內(nèi)力

軸力 N 最大239.3kN；剪力Q最大-2.8kN；彎矩最大8.2kN.m。

（二）位移

X向最大位移11.669mm； Y向最大位移0.153mm；Z向最大位移-3.100mm；組合最大位移12.074mm。

4.2.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果

強(qiáng)度驗(yàn)算：最大強(qiáng)度應(yīng)力比（強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果與構(gòu)件強(qiáng)度的比值）0.32、最大抗剪應(yīng)力比（構(gòu)件在受力作用下繞弱軸方向和強(qiáng)軸方向剪力與構(gòu)件抗剪強(qiáng)度之比）0.01。

整體穩(wěn)定：最大繞2軸整體穩(wěn)定（構(gòu)件在平面外的穩(wěn)定）0.16、最大繞3軸整體穩(wěn)定（構(gòu)件的平面內(nèi)穩(wěn)定）0.17。

剛度驗(yàn)算：繞2軸長(zhǎng)細(xì)比183、繞3軸長(zhǎng)細(xì)比234、最大（w桿件的撓度，l表示桿件支撐點(diǎn)間的距離）w/l=1/2955。

因此，A2段支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求。

4.3 A3段臨時(shí)支架驗(yàn)算

4.3.1荷載信息

（一）節(jié)點(diǎn)荷載信息

A3段鋼拱重為：38.8t，長(zhǎng)度為18.9m。

計(jì)算A3段臨時(shí)支架點(diǎn)B處合荷載F

鋼拱和臨時(shí)支架的尺寸、角度可由設(shè)計(jì)圖得到：

A3段拱下端A到支架點(diǎn)B長(zhǎng)度AB為18.5m，C點(diǎn)為長(zhǎng)度中心，距離A為6.29m。由于鋼拱越往下截面越大，以長(zhǎng)度中心作為重力作用點(diǎn)是偏安全的。

對(duì)A點(diǎn)取矩：

38.8t×6.29=F×18.5

F=13.2t

分解F，得出X、Z方向分力

Fx=sin47°×13.2=9.65t

Fz=cos47°×13.2=9t

∴Fx方向作用力為96.5KN

Fz方向作用力為90KN

（二）風(fēng)荷載信息

按12級(jí)風(fēng)力的驗(yàn)算

橫向風(fēng)壓計(jì)算：

W=K1×K2×K3×K4×Wo，Wo=V2/1600

風(fēng)速：V=40m/s；

基本風(fēng)壓：1.00KN/m2；

設(shè)計(jì)風(fēng)速平率：K1=1.0；

結(jié)構(gòu)體形系數(shù)：K2=1.3；

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：K3=1.0；

地形地理系數(shù)：K4=1.0；

12級(jí)風(fēng)壓系數(shù)：W=1.3 KN/m2；

風(fēng)荷載受荷面積簡(jiǎn)化為弧，上表面面積：S=3×12.2=36.6m2

12級(jí)風(fēng)荷載：36.6×1.3=47.58KN，平均分配在4個(gè)側(cè)面節(jié)點(diǎn)上，分布點(diǎn)荷載約為12KN

（僅考慮12級(jí)風(fēng)狀態(tài)下最不利荷載的穩(wěn)定性）大-2.9kN；彎矩最大8.6kN.m。

（ 三）荷載組合

(1) 1.35 恒載 + 1.10 風(fēng)載工況1

4.3.2 內(nèi)力位移計(jì)算結(jié)果

（一）內(nèi)力

軸力 N 最大280.4kN；剪力Q最

（二）位移

X向最大位移14.229mm； Y向最大位移0.182mm；Z向最大位移-4.153mm；組合最大位移14.824mm。

4.3.3設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果

強(qiáng)度驗(yàn)算：最大強(qiáng)度應(yīng)力比（強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果與構(gòu)件強(qiáng)度的比值）0.37、最大抗剪應(yīng)力比（構(gòu)件在受力作用下繞弱軸方向和強(qiáng)軸方向剪力與構(gòu)件抗剪強(qiáng)度之比）0.01。

整體穩(wěn)定：最大繞2軸整體穩(wěn)定（構(gòu)件在平面外的穩(wěn)定）0.22、最大繞3軸整體穩(wěn)定（構(gòu)件的平面內(nèi)穩(wěn)定）0.24。

剛度驗(yàn)算：繞2軸長(zhǎng)細(xì)比183、繞3軸長(zhǎng)細(xì)比234、最大（w桿件的撓度，l表示桿件支撐點(diǎn)間的距離）w/l=1/3099。

因此，A3段支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求。

4.4 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)論

該臨時(shí)支架的設(shè)計(jì)全部滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。

5 總結(jié)

圖3 海鳴橋鋼拱B454節(jié)段的吊裝合攏

為增加臨時(shí)支架的穩(wěn)定性，實(shí)際施工過(guò)程中增加了高低塔之間的斜撐，采用Φ245×7焊管進(jìn)行牢固連接，如圖所示。

目前，鋼拱架安裝已經(jīng)完成，臨時(shí)支架已完全拆除。根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，鋼拱的尺寸，位移等符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。外觀(guān)質(zhì)量獲得設(shè)計(jì)、監(jiān)理及建設(shè)等單位的一致好評(píng)。該臨時(shí)支架設(shè)計(jì)實(shí)例為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。